户用型下吸式生物质气化炉性能研究

研究与探讨户用型下吸式生物质气化炉性能研究金亮,周劲松,叶志舟,骆仲泱(浙江大学能源清洁利用国家重点实验室,杭州310027)摘要:由于生物质能具有储量大、环境友好等特点,生物质气化技术尤其是户用型气化技术在我国农村应用值得研究。论文在建立下吸式户用型气化系统上,研究了不同生物质原料的气化性能,如对温度分布、气化效率、燃气热值、燃气产量等,并进行了焦油脱除效率的研究。结果表明,该炉型的气化效率可达70%,燃气热值达到6 MJ/m',燃气中焦油含量降低至20 mg/m'o关键词:生物质;下吸式;气化;焦油Abstract: For the abundant reserves and environmentally friendly characters of biomass ener-gy, biomass gasification technology has a positive application in the rural area, especially biomassgasification for home- -use. Primary coverage of this thesis is to research different biomass gasifica-tion characters, under the down- draft biomass gasification equipments. The research including tem-perature distibution, gasification eficiency, gas heat value and production, tar removal eficiency.Analysis showed that the gasification efficiency can reach up to 70%, gas low heat value is about 6M]/m', tar content can low to 20 mg/m'.Key words: biomass; down- draft; gasification; tar中图分类号:TK6文献标志码:B文章编号: 1001-5523( 2010)01-12-05随着全球化石燃料的不断消耗，能源短缺和环气化装置为基础， 进行不同生物质原料的气化性能境污染问题8益凸显，生物质能因其丰富的储量和研究,如温度分布、气化效率、燃气热值、燃气产量对环境污染小的特点四,在全世界能源利用中越来等,以及进行煤气中焦油含量的测量和脱除试验n啊，越受到关注和重视。在我国农村地区,仅秸秆等农林以得到不同原料在该气化炉下的性能运行情况。生物质废弃物资源量就有7x108 Va,相当于3.1x10* t1实 验介绍标准煤}。生物质热解气化集中供气技术具有能源利用率高、环境友好等特点,在广大农村的推广应用户用型气化实验装置包括气化炉(下吸式)、燃能中取得了良好的社会效益和环境效益。但集中供气气净化系统、引风系统 、燃烧系统、储气装置及测量技术尚存在焦油的处理效果不理想,气化站“欠户”系统等,装置系统见图1。现象严重,设备利用率降低,燃气成本增加等问题4,因此开发和推广新型户用型生物质气化炉具有重要意义。接空」式化王用在固定床生物质气化炉型中，下吸式气化炉具有燃气品质好、气化效率高焦油含量少、可随时进中国煤化工料等诸多优点150,这对保证稳定供气、降低焦油污MHCNMH G收朔染等具有积极的作用。 本文以浙江大学自行研制的田土物贝P吸巩比系统12.户用型下吸式气化炉为核心，以自行搭建的生物质本实验所用的生物质下吸式气化炉，如图2所金亮等.户用型下吸式生物质气化炉性能研究研究与探讨示。此气化炉的特点:( 1)干燥热解区至氧化区采用即可得到一炉生物质原料的总产气量。其中,燃气正口径渐缩锥形设计,以方便生物质原料的自动下料。常 产出的标志为燃气在灶台上可正常点火燃烧,产研究结果表明,倾角在70~10°之间适合于原料的下气结束时间的标志为灶台 自然熄火。料,故此气化炉的倾角定为9%。(2)还原区采用“两Q=qxt(1)头小,中间大”的结构特点,有利于将热量“包裹”于式中:Q为气化机组的产气量,m';q为生物质燃气还原区中部，使原料进行充分还原反应，防止出现流量,m/h;t为燃气产生时间,h。“还原死角”，以提高原料的气化效率及焦油的脱除1.2.2燃气热值效率。燃气热值测量采用《城镇燃气热值和相对密度几物料、空气人口测定方法》0,仪器采用JKS水流式燃气热量计。1.2.3气化效率气品热电偶根据气化机组产气量V、生物质燃气组分和原料加入量G,利用公式计算气化机组的气化效率:VxQew-x100%=ExQ_-G,x0n x100%(2)式中:η为气化机组的气化效率, %;Qo为生物质燃气的输出能量,kJ;Qi为生物质原料输人能量,kJ;Gz市Z为生物质底灰重量,kg;Qa为生物质燃气的低位发热量,kJ/m?;Qa为生物质原料的低位发热量, kJ/m);圈2下吸式气化炉结构Qae为生物质底灰的低位发热量, kJm'。实验以空气作为气化剂,由引风机带动工作。由1.2.4焦油含量于系统处于微负压工作状态，故气化炉采用敞口设焦油测量依据《城市燃气中焦油和灰尘含量的计,空气由气化炉顶部进人炉内氧化区氧化燃烧,产测定方法)问， 即使一-定体积的生 物质燃气通过已知生的燃气依次经过喷淋净化装置及干式净化装置,重量的滤膜，以滤膜的增重和取样体积,计算出焦油以去除燃气中的焦油灰尘等杂质。和灰尘的含量。焦油取样口如图1所示。净化效率的实验的测量系统包括炉体温度测量、燃气流量值按以下公式计算:测量及焦油含量测量三大部分。炉体温度测量从上ηz= 0-0-l至x100% .(3)到下依次在气化炉上布置6个测点,包括对干燥区、Q;热解区、氧化区、还原区以及燃气出口温度的测量，η=Q-Q-Q立x100% .(4)Q2同时对氧化区的测点采用热电偶沿径向可伸缩装ηg=Q-9-Qx10%置,以测量氧化区不同部位的温度燃气流量测量采用转子流量计进行,并可根据需要调节流量大小。在式中 :沏为净化效率;Q1为1号测量口的焦油含量|(焦油含量的测量过程中，本实验焦油测量方法采用mg/m';Qz为2号测量口的焦油含量mg/m';Q3为3国标(城市燃气中焦油和灰尘含量的测定方法》(GB/号测量口的焦油重量mg/m';Q空为空抽大气所得T12208- 1990)91。.增重mg/m'。|王1.2实验测量方法2实吟仕里上公析.1.2.1产气量中国煤化工产气量的测量主要采用时间计时方法进行测2.1TYHCNM H G性第量。从燃气正常产出后开始计时,至产气结束为止停实验选择农村最为常见的生物物料如糠、玉米期止计时,通过转子流量计中测得的每小时燃气流量,芯粉料及红榉木加工废料作为实验原料，这些原料. 13.金亮等，户用型下吸式生物质气化炉性能研究研究与探讨-的工业分析如表1所示。实验过程中,在点火燃烧气低于4 M]/m,其余两种物质均在4.5 MJ/m'以上。所化后通过观察6个热电偶的温度,适时地将燃气由以说,该气化炉对原料的适应性还是比较好的。除此排空切换至灶头,监测燃气是否能点燃,记录产气时之外,比较红榉木等“硬木"材料和糠皮等“软木”材间及产气量,在产气过程中实时测量燃气热值。不同料发现,两者的气化效果也存在差异。分析原因,可生物质原料气化特性的试验结果见表2。以归结为以下几点:表1不同生物质原料的工业分析%(1)玉米芯粉料的挥发分含量在三种原料中是生物质碳含量水分灰分挥发分低位热值低位热值最高的,而水分及灰分含量是最低的。目前对生物质种类Fcad.kg-气化机理-般认为首先在较低温度下(500 C),挥发分析出,然后半焦在高温下(800 C以上)发生进红榉木16.283.905.6216 181一步气化。挥发分析出产生较多Co、H2等可燃性气糠皮14.7610.0511.415 807体,提高了燃气中可燃气体比例,因而提升了燃气热玉米芯16.339.011.4073.2616 922.粉料值。而半焦在以空气为气化剂时,产生的可燃气体主表2不同生物质原料的气化特性要以co为主,并且半焦气化受到温度、停留时间、原料焦炭粒径等诸多因素影响，并不如挥发分热解反应热值灰渣热值迅速和彻底。所以，含挥发分较多的玉米芯粉料,热款kg/m'1%解气化反应象红榉木和糠皮更为容易进行，其气化红榉木8.14 16181 3.90 21 1385.25 4.60 48.73效率和燃气热值均明显较高。糠皮11.20 15807 3.75 25137 9.50 3.83 44.00(2)红榉木和糠皮虽然在工业分析中除灰分含五米芯15.46 16922 5.00 30599 12.50 6.02 69.21 .量差别较大外,其余成分含量差别并不明显,但是通过比较两者的物理性质,依然可以看到以下几点不7 000同::6000. 5000①糠皮的堆积密度小。木质原料和- -些枝条的s4000堆积密度约为煤的1/4~1/2. 而软木等的堆积密度仅;3000相当与煤的1/10,由于容重小而使得反应器的热容P2000毛1 000量小，难以形成稳定的反应区,而且堆积密度小的原玉米芯粉料料其料层空隙大,均匀性差,容易形成气流通道,造成吹穿现象。團3不同原料之间的热值比较②糠皮自然堆积角大,流动性差,反应区易于搭8C桥、穿孔,不能形成稳定的床层。70③糠皮中木炭的机械强度很低，在大量挥发分能.50析出后,不能保持现状,迅速形成细而散的炭粒,降40低了反应的活性和反应区的透气性。30 t2.2燃气流量对气化特性的影响0对于固定床气化炉而言，调节气化特性最迅速周和最简单的手段之一就是调节它的进风量。由于本京圈4不同原料之间的气化效率比较气化I中国煤化工佳于测量,因此采用从表中可以看到该气化炉对三种原料的气化效气MHCNMHG研究。同-种原料期|率均达到40%以上,其中玉米芯粉料的气化效率达在气化炉冈不同时燃 气凯量将影响到燃气的燃气热.14. 到了69%;燃气热值方面,除糠皮为3.83 MJ/m',略 值及气化效率,实验结果如图5、图6所示。金亮等、户用型下吸式生物质气化炉性能研究研究与探讨60005000.县65004000300055002000产10004 50062.54.56.燃气流量/m3.h-1燃气流量/m3.h-!间)红榉木(b)玉米芯粉料圈5燃气流量对燃气热值影响7040-50f 40200L6.55燃气流量/m3. h-I燃气流量/m3'h-1(间)红榉木图6燃气流量对气化效率影响由上图可见,燃气热值随着燃气流量的增大而燃气热值较低, 也造成气化效率也随之降低。因此，减小,气化效率随着燃气流量的增大先是有所增大存在一个较佳的燃气流量范围,使气化炉可以在最然后逐渐减小。这是因为,当燃气流量较小的时候，佳的运行状态下工作,而且这个范围会随着物料的由于进风流量较少,气化炉内氧气供应较少,气化变化而有所差异。炉中更多的物料发生热解反应,因而燃气中氮的含2.3净化装置的性能试验研究量较少,可燃气的成分较多,热值较高;但是由于燃本气化炉为下吸式气化炉,采用了湿式喷淋装气流量小,总体的气化效率并不会很高。相反,当燃置及干式净化装置,其中干式净化填充剂为棉花。气流量过大的时候,氧供应较大,更多物料参与燃表3给出了各中不同原料焦油脱除效率的不同比烧反应,产生了较多的二氧化碳,影响了燃气品质，较。 .表3不同原料不同净化装的焦油脱除效率气化原料红榉木.糠皮玉米芯粉料湿式净化效率1%91.9886.4088.14干式净化效率/%97.5992.5299.12总净化效率1%99.8199.0999.88能净化前燃气焦油含量/mg'm310 34017 74016 060净化后燃气焦油含量/mg'm319.65160.5519.06从表中可见,试验中干式、湿式的净化效率均与净化前糠皮产出的焦油量有关外，也与湿式、干达到了90%以上，三种原料的总体净化效率也均式过滤器对糠皮焦油的净化效率最低有关。湿式净在9%以上。净化后的燃气中,玉米芯粉料和红榉化主中国煤化工碰撞凝聚,通过重木焦油含量在20 mg/m2,处于-一个较低的水平,这力沉HCNMHG化的原理是当燃第在实际应用中是能满足应用要求的，而糠皮的焦油气通过棉花纤维时,依靠纤维组织对焦油粒惯性碰真含量处于一个较高水平( 160 mg/m2)。原因是除了撞、吸附、拦截等物理的作用,将焦油从燃气中脱● 15.金亮等，户用型下吸式生物质气化炉性能研究研究与探讨除。当焦油颗粒越大时.湿式、千式的净化效果越明参考文献:显;反之当焦油颗粒越小时,脱除效果越差。比较糠[1] Yaman s. Pyrolysis of Biomass to Produce Fuels and皮与另两种原料的焦油脱除效果后可以判断,糠皮Chemical Feedstocks [J] Energy Converse Manage, 2004,在气化过程中产生的多为较小粒径的焦油,故在湿(45): 651-71.式喷淋、干式过滤中的净化效果不如另两种原料[2] Radmanesh R, Courbariaux Y, Chaouki J, Guy C. A UnifiedLumped Approach in Kinetic Moelling of Biomass Pyrolysis好。[] Fuel, 2006, (85): 1211-1220.另外，比较糠皮和红榉木燃气净化前的焦油含[3]董玉平,邓波,景元琢等.中国生物质气化技术的研究和发量可以看到,糠皮的焦油含量17 740 mg/m',而红榉展现状J山东大学学报(工学版),2007,(37); 1-7.木的焦油含量为10 340 mg/m'。这与糠皮等“软木”[4]袁振宏,吴创之，马隆龙,等.生物质能利用原理与技术[M].材料和红榉木等“硬木”材料的组成成分和组织结构北京:化学工业出版社, 2005.有关。- -般认为,“软木”材料中多纤维素,“硬木"材[5] 陈冠益,高文学,颜蓓蓓.等生物质气化技术研究现状与料中多木质素,Sadatal"和KsrinI2认为，焦油的发展[]煤气与热力,2006,(7): 20-26.含量和生物质材料中的纤维素含量有关。文献13-4[6]宋秋,任永志,孙波.生物质气化炉设计要点[J]可再生能报道,当以daf基计时,热解产生焦油质量为稻杆>源,2002,(2):49 -51.木屑,“软木材料”的焦油产量会大于“硬木”材料,这[7]魏敦崧,李芳芹,李连民.生物质固定床气化试验研究[p.同济大学学报(自然科学版),2006.(2); 254 -259.和本实验的结果是相印证的。[8]雷廷宙.沈胜强,崔俊贞,等.固定床生物质气化机组主要3结论技术性能试验研究[].河南科学, 2006, (1): 118-121.[9] GB/T12208-1990,城市燃气中焦油和灰尘含量的测定方法(1)该户用型生物质气化炉采用玉米芯为原料时气化效率较高,最高可达70% ,燃气热值也接近6[10] CB/T 12206- 2006, 城镇燃气热值和相对密度测定方法MJ/m'。主要得益于还原区的“包裹”型设计有利用热[S量的集中,保证气化的深度进行;另-方面,原料较[11] Sadakata M, Takahashi K, Saito M, Sakai T. Production of低的含水率降低了气化时的热损失。Fuel Gas and Char from Wood, Lignin and Holcellulose byCarbonizaion[] Fuel,1987, (66): 1667-1671.(2)引风量的变化能有效调节气化效率及燃气热值的大小,一般而言,燃气热值会随着引风量的增[12] Kostin H. Direct Formation of Prolysis Oil from Bioas,in Proceedings Specialists Workshop on Fast Pyrolysis of大而呈”下降趋势,气化效率为先提高后降低趋势。因Bionass[S]. Copper Mountain, Colorado. 1980.(19);105-121.此,对每一种原料存在-一个最佳引风量大小，在保证[13] Raveendran K, Anuradda Ganesh, Kartic C, Khilar. Pyrolysis较高燃气热值的前提下,有较大的燃气产率。以玉米Characeristics of Biomass and Biomass Components U Fuel芯粉料为例,当燃气流量维持在4.8 m2/h时,气化效1996, (8); 987- 98.能率可接近70% ,燃气热值可达到6 MJ/m'。[14] Morten C Gronli, Morten C. Mathematical Model for Wood(3)在气化炉出口搭配湿式喷淋、干式净化等净Pyrolysis -Comparison of Experimental Measurements with研化过滤装置,结构表明喷淋和干式的净化效率均达Model Predicions[J.Energy and Fuls2000(1): 791-800.到了90%以上,总体净化效果在9%左右,净化后收稿日期:2009-11-231燃气的焦油含量最低可达20 mg/m',可满足实际使用_用要求。.基金项目:浙江省科技计划项目(2008C01001-2)中国煤化工第|MHCNMHG.●16.